Uma equipe interdisciplinar de cientistas liderada por pesquisadores do DIPC, Ikerbasque e UPV / EHU, demonstrou que é possível construir um sensor ultrassensível baseado em uma nova molécula fluorescente capaz de detectar a decadência nuclear chave para saber se um neutrino é ou não sua própria antipartícula.

Os resultados deste estudo, publicado na prestigiosa revista Natureza , têm grande potencial para determinar a natureza do neutrino e, assim, responder a questões fundamentais sobre a origem do universo.

Por que nosso universo é feito de matéria? Por que tudo existe como o conhecemos? Essas questões estão ligadas a um dos problemas não resolvidos mais importantes da física de partículas. Este problema é da natureza do neutrino, que poderia ser sua própria antipartícula, como argumentado pelo infeliz gênio italiano Ettore Majorana quase um século atrás. Se assim fosse, poderia explicar a misteriosa assimetria cósmica entre matéria e antimatéria.

De fato, sabemos que o universo é feito quase exclusivamente de matéria. Contudo, a teoria do Big Bang prevê que o universo primitivo continha a mesma quantidade de partículas de matéria e antimatéria. Esta previsão é consistente com os "pequenos Big Bangs" que se formam nas colisões de prótons no gigante acelerador LHC do CERN, onde uma produção simétrica de partículas e antipartículas é sempre observada. Então, para onde foi a antimatéria do universo primitivo? Um possível mecanismo aponta para a existência de neutrinos pesados ​​que eram sua própria antipartícula, e portanto, poderia se decompor em matéria e antimatéria. Se um segundo fenômeno ocorrer, chamada de violação de cobrança e paridade (ou seja, se o neutrino favorece ligeiramente em sua decomposição a produção de matéria sobre a de antimatéria), então, ele poderia ter injetado um excesso do primeiro sobre o segundo. Depois que toda a matéria e antimatéria do universo foram aniquiladas (com exceção deste pequeno excesso), o resultado seria um cosmos feito apenas de matéria, das sobras do Big Bang. Poderíamos dizer que nosso universo é o resto de um naufrágio.

É possível demonstrar que o neutrino é sua própria antipartícula, observando um tipo raro de processo nuclear chamado decaimento beta duplo sem neutrinos (bb0nu), em que concomitantemente dois nêutrons (n) do núcleo são transformados em prótons (p) enquanto dois elétrons (e) são emitidos para fora do átomo. Este processo pode acontecer em alguns isótopos raros, como Xenon-136, que tem em seu núcleo 54 p e 82 n, além de 54 e quando é neutro. O experimento NEXT (dirigido por J.J. Gómez-Cadenas, DIPC e D. Nygren, UTA), localizado no laboratório subterrâneo de Canfranc (LSC), procura por esses decaimentos usando câmaras de gás de alta pressão.

Quando um átomo Xe-136 sofre decaimento bb0nu espontâneo, o resultado do processo é a produção de um íon duplamente carregado de Bário-136 (Ba ₂ ⁺ ); com 54 e e um núcleo de 56 p e 80 n; e dois elétrons (Xe à Ba ₂ ⁺ + 2e).

Até aqui, o experimento PRÓXIMO concentrou-se na observação desses dois elétrons, cujo sinal é muito característico do processo. Contudo, o processo bb0nu que se pretende observar é extremamente raro e o sinal esperado é da ordem de um decaimento bb0nu por tonelada de gás e ano de exposição. Este sinal muito fraco pode ser completamente mascarado pelo ruído de fundo devido à radioatividade natural onipresente. Contudo, se além de observar os dois elétrons, o átomo ionizado de bário também é detectado, o ruído de fundo pode ser reduzido a zero, já que a radioatividade natural não produz esse íon. O problema é que observar um único íon de Ba ₂ ⁺ no meio de um grande detector bb0nu é tecnicamente tão desafiador que até recentemente era considerado essencialmente inviável. Contudo, uma série de trabalhos recentes, o último dos quais acaba de ser publicado na revista Natureza , sugerem que a façanha pode ser viável, afinal.

O trabalho, concebido e liderado pelos pesquisadores F.P. Cossío, Professor da Universidade do País Basco (UPV / EHU) e Diretor Científico de Ikerbasque, e J.J. Gómez-Cadenas, Professor Ikerbasque do Donostia International Physics Center (DIPC), inclui uma equipe interdisciplinar com cientistas do DIPC, a UPV / EHU, Ikerbasque, o Laboratório de Óptica da Universidade de Murcia (LOUM), o Centro de Física de Materiais (CFM, um centro comum CSIC-UPV / EHU), POLYMAT, e a Universidade do Texas em Arlington (UTA). Gómez-Cadenas diz, “O resultado desta colaboração interdisciplinar que combina, entre outras disciplinas, física de partículas, química orgânica, física de superfície e ótica, é um claro exemplo do compromisso que o DIPC demonstrou recentemente no desenvolvimento de novas linhas de pesquisa. O objetivo não é apenas gerar conhecimento em outras áreas, diferente dos usuais do centro, mas também para buscar fundamentos híbridos e criar projetos interdisciplinares que, em muitos casos, como este, pode ser o mais genuíno. "

A pesquisa é baseada na ideia, proposto por um dos autores do artigo, o prestigioso cientista D. Nygren (inventor, entre outros dispositivos da tecnologia de Câmara de Projeção do Tempo aplicada por muitos experimentos de física de partículas, incluindo PRÓXIMO). Em 2016, Nygren propôs a viabilidade de capturar Ba ₂ ⁺ com uma molécula capaz de formar um complexo supramolecular com ela e de fornecer um sinal claro quando isso ocorrer, produzindo assim um indicador molecular adequado. Nygren e seu grupo na UTA então começaram a projetar indicadores "liga-desliga", em que o sinal da molécula é altamente intensificado quando um complexo supra-molecular é formado. O grupo liderado por Cossío e Gómez-Cadenas seguiu um caminho diferente, projetar um indicador bicolor fluorescente (FBI) que combina um grande aumento de intensidade e uma mudança dramática de cor quando a molécula captura Ba ₂ ⁺ . A síntese do FBI foi feita sob a direção do pesquisador do DIPC I. Rivilla. Se uma molécula do FBI sem bário for iluminada com luz ultravioleta, ele emite fluorescência na faixa da luz verde, com um espectro de emissão estreito de cerca de 550 nm. Contudo, quando esta molécula captura Ba ₂ ⁺ , seu espectro de emissão muda para o azul (420 nm). A combinação de ambos os recursos resulta em um aumento espetacular do sinal, tornando-o muito adequado para um futuro Ba ₂ ⁺ detector.

É interessante notar que os sistemas experimentais de microscopia multifotônica usados ​​no LOUM pelo grupo de P. Artal para a detecção espectral verde / azul são baseados naqueles desenvolvidos anteriormente para imagens da córnea do olho humano in vivo. Este é um exemplo de como entrelaçar o uso de uma tecnologia única no mundo para aplicações biomédicas em um problema fundamental da física de partículas. "O esforço para combinar ciência básica e novas implementações instrumentais é essencial para abrir novos caminhos de pesquisa para responder às muitas perguntas que nós, cientistas, nos perguntamos todos os dias, "diz J.M. Bueno, Professor de Óptica no LOUM.

Como Cossío explicou, "a tarefa mais difícil na parte química do trabalho foi projetar uma nova molécula que atendesse aos requisitos estritos (quase impossíveis) impostos pelo experimento NEXT. Essa molécula tinha que ser muito brilhante, capturar bário com extrema eficiência (bb0nu é um evento muito raro e nenhum cátion poderia ser desperdiçado) e emitir um sinal específico que permitiria a captura ser detectada sem ruído de fundo. Além disso, a síntese química do novo sensor do FBI tinha que ser eficiente para ter amostras ultra-puras suficientes para instalação dentro do detector. A parte mais gratificante foi verificar se, depois de muitos esforços por esta equipe multidisciplinar, na verdade, nosso sensor específico e ultrassensível do FBI funcionou conforme planejado. "

Além do desenho e caracterização do FBI, o artigo oferece a primeira demonstração da formação de um complexo supramolecular em meio seco. Este resultado histórico foi alcançado preparando uma camada de indicadores do FBI comprimida sobre um pellet de sílica e evaporando sobre essa camada um sal de perclorato de bário. Z. Freixa, O professor Ikerbasque da UPV / EHU diz:"A preparação do FBI em sílica foi uma solução rápida, mas não tão suja, para essa prova de conceito. Um pouco de alquimia doméstica." O experimento de sublimação a vácuo foi feito pelo cientista CSIC do CFM C. Rogero e seu aluno P. Herrero-Gómez. Rogero, um especialista em física das superfícies diz:"Foi um daqueles momentos Eureka, quando percebemos que tínhamos em meu laboratório apenas as ferramentas para realizar o experimento. Nós evaporamos o perclorato e deixamos o FBI brilhando em azul quase na primeira tentativa. "

A próxima etapa deste projeto de pesquisa é a construção de um sensor baseado no FBI para a detecção do decaimento beta duplo sem neutrinos ou bb0nu, para o qual Gomez-Cadenas, F. Monrabal do DIPC e D. Nygren e colaboradores da UTA estão desenvolvendo uma proposta conceitual.

Este trabalho é um avanço significativo para a construção de um futuro experimento NEXT de 'marcação de bário' para procurar eventos bb0nu sem ruído por meio da identificação dos dois elétrons e do átomo de bário produzido na reação. Este experimento teria um grande potencial para descobrir se o neutrino é sua própria antipartícula, o que poderia levar a responder a questões fundamentais sobre a origem do universo.